Os Neurônios se Transformam Bases Biológicas da Neuroplasticidade Roberto Lent Eric Kandel Prof. Hélder Mauad UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO ACIDENTE AUTOMOBILÍSTICO Motorista bateu contra um muro: não usava cinto de segurança, sofreu fratura de crânio e perda de tecido cerebral. Esta em coma no hospital. Sua recuperação é lenta com gradativa e incompleta recuperação das funções atingidas. Outro indivíduo presencia o acidente de longe. A visão do acidente impressiona-o fortemente ao verificar os ferimentos do motorista. NUNCA MAIS ESQUECE O QUE VIU. Um terceiro indivíduo lê no jornal que os cintos de segurança efetivamente protege os motoristas, CONVENCE-SE do que lê e PASSA A USÁ-LO. O QUE HÁ DE SEMELHANTE NAS TRÊS SITUAÇÕES ? Em cada caso, o AMBIENTE EXTERNO influiu sobre o Sistema Nervoso de diferentes maneiras e com diferentes intensidades. Motorista vitimado: lesão cerebral Testemunha: a visão do acidente provocou uma forte impressão emocional, mas nenhum dano material ocorreu em seu cérebro. Leitor de jornal: absorveu as informações obtidas através da leitura, e modificou seu comportamento de acordo com o que leu. Os cérebros desses três indivíduos responderam ao ambiente. Que terá ocorrido neles? De que modo se modificaram? Terá havido alterações identificáveis em seus neurónios? NEUROPLASTICIDADE ou plasticidade É a capacidade de adaptação do sistema nervoso, especialmente a dos neurónios, às mudanças nas condições do ambiente que ocorrem no dia a dia da vida dos indivíduos. Um conceito amplo que se estende desde a resposta a lesões traumáticas destrutivas, até as sutis alterações resultantes dos processos de aprendizagem e memória. Energia (ambiente) → sistema nervoso → deixa alguma marca, isto é, modifica-o de alguma maneira. Ocorre em todos os momentos da vida, a neuroplasticidade é uma característica marcante e constante da função neural. TIPOS E CARACTERÍSTICAS DA NEUROPLASTICIDADE TIPOS E CARACTERÍSTICAS DA NEUROPLASTICIDADE • 1ª Constatação: o seu grau varia com a idade do indivíduo • Durante o desenvolvimento Ontogenético (Plasticidade Ontogenética): • SN é mais plástico • Tudo se molda a partir das informações do GENOMA e as influências do MEIO AMBIENTE • A plasticidade ontogenética confunde-se com o próprio desenvolvimento, pois seus mecanismos celulares são semelhantes aos mecanismos do desenvolvimento normal. • PERÍODO CRÍTICO: • Fase de grande plasticidade • SN é mais suscetível a tranformações provocadas pelo ambiente externo • Na MATURIDADE (Plasticidade Adulta): capacidade plástica diminui ou se modifica Quando falamos de modificações provocadas pelo ambiente, de que exatamente estamos falando? O que ocorre no sistema nervoso? Como ele se modifica? Neurocientistas constataram.... Em alguns casos, é possível identificar: • Plasticidade Morfológica - mudanças morfológicas resultantes das alterações ambientais: • Novos neurónios gerados numa dada região, • Ou neurónios que desaparecem por morte celular programada. • Novos circuitos neurais que se formam pela alteração do trajeto de fibras nervosas • Nova configuração da árvore dendrítica do neurónio • Modificações no número e na forma das sinapses e das espinhas dendríticas • Plasticidade Funcional • Outros casos só foi possível identificar correlatos funcionais, sem alterações morfológicas evidentes • Geralmente ligada à atividade sináptica de um determinado circuito ou um determinado grupo de neurónios • Plasticidade Comportamental • Essas mudanças estruturais e funcionais do SN produzem efeitos no comportamento e no desempenho psicológico do indivíduo REGENERAÇÃO AXÔNICA PERIFÉRICA: Uma História de Sucesso REGENERAÇÃO AXÔNICA PERIFÉRICA: Uma História de Sucesso • Há muito se sabe que os nervos periféricos são suscetíveis de regeneração • Imprensa noticia o “reimplante de dedos e membros amputados” e o trabalho dos cirurgiões para restabelecer a vascularização e a invervação da parte reimplantada – Histórias de Sucesso • Fibras nervosas no SN Periférico são alvo frequente de lesões traumáticas, porque sua distribuição cobre toda a extensão do organismo: • Traumatismo por esmagamento sem que o nervo seja interrompido: • A regeneração é quase sempre bem-sucedida • Traumatismo onde as fibras são completamente cortadas: • A regeneração só ocorrerá por intervenção médica, se um cirurgião conseguir unir as extremidades separadas do nervo O que acontece quando há lesão ? Como reagem os diferentes constituintes do neurônio lesado? • Nos indivíduos adultos, muitos corpos celulares geralmente sobrevivem à transecção do axônio: • Verdadeiro tanto para os neurônios sensitivos, situados nos gânglios espinhais ao lado da coluna vertebral, quanto para os motores, localizados no corno ventral da medula. • A sobrevivência do soma é fundamental: • Comandam recrescimento axônico, baseados na reexpressão de genes do desenvolvimento que normalmente têm sua ação interrompida no adulto. REGENERAÇÃO AXÔNICA PERIFÉRICA Produzem Fatores Neurotróficos: LAMININA, FIBRONECTINA e outros CORPOS DE NISSL Para o cone de crescimento, um problema logo se coloca: Como encontrar o rumo certo de crescimento e reinervar exatamente o alvo denervado ? Quando a lesão ocorre à distância dos alvos, SEM QUE HAJA INTERRUPÇÃO COMPLETA do nervo = os axônios regenerantes acabam por encontrar os seus alvos seguindo os fragmentos do coto distal degenerado, e ao final formam sinapses funcionais capazes de restabelecer a função perdida. No entanto, se a LESÃO DO NERVO É COMPLETA E DISTANTE DOS ALVOS a regeneração se frustra. Neste caso, os cones de crescimento dos axônios regenerantes perdem-se pelo caminho. Quando há lesão completa de um tronco nervoso calibroso... • Os cirurgiões aproveitam o coto distal e unem-no ao coto proximal com pontos de sutura no tecido conjuntivo envolvente, fornecendo artificialmente ao coto proximal a estrutura-guia para o crescimento regenerativo dos axônios lesados. • De forma experimental, estuda-se como estimular a regeneração, utilizando diferentes substâncias e também células-tronco. Nas proximidades do alvo, as fibras regenerantes sensitivas restabelecem suas terminações receptoras e os axônios motores reconectam-se às células musculares, formando sinapses funcionantes. REGENERAÇÃO AXÔNICA CENTRAL: Inexistente ou Bloqueada ? REGENERAÇÃO AXÔNICA CENTRAL Inexistente ou Bloqueada ? • A história de sucesso da plasticidade regenerativa das fibras nervosas periféricas não se repete no caso de axônios do SNC. • A regeneração central inexiste ou é bloqueada por algum fator desconhecido ? • O histologista espanhol Santiago Ramón y Cajal (1852-1934): • Observou a formação de cones de crescimento anômalos nos cotos proximais de axônios centrais lesados • Qualificou essa regeneração incipiente como abortiva • Regeneração bloqueada por algum fator desconhecido. Experimentos de Albert Aguayo, argentino, 1980 • O grupo de Aguayo utilizou ratos adultos submetidos à transecção do nervo óptico, que aloja as fibras nervosas que ligam a retina aos núcleos subcorticais responsáveis por algumas das funções visuais. • Logo depois da interrupção do nervo óptico, Aguayo extraía do mesmo animal um longo segmento de um nervo periférico (o ciático, por exemplo), unia-o ao coto proximal do nervo óptico cortado e inseria a outra extremidade no colículo superior do mesencéfalo, um dos alvos das fibras retinianas cortadas. Experimentos de Albert Aguayo, 1980 Depois de alguns meses, os cientistas verificaram que as células ganglionares sobreviventes na retina atingida haviam conseguido regenerar seus axônios utilizando como guia o nervo ciático implantado. Aguayo tirou duas importantes conclusões de seus experimentos: 1. Os axônios centrais são capazes de regenerar através de longas distâncias, desde que estejam em contato com o microambiente do SNP. Nessas condições, são capazes até mesmo de formar sinapses funcionantes com seus alvos naturais, embora lirnitadamente. 2. O microambiente do SNC, por outro lado, não favorece o crescimento regenerativo dos axônios centrais, que se interrompe imediatamente, logo que estes saem do SNP e penetram no SNC. O que haveria no SNP capaz de favorecer a regeneração ? E o que haveria no SNC atuando no sentido contrário ? • Neurônios centrais são fortemente dependentes de fatores tróficos, que lhes faltam neste caso porque no SNC, diferentemente do SNP, as células gliais que produzem a mielina - OLIGODENDRÓCITOS - não os produzem como as células de Schwann e os macrófagos. • MICROGLIÓCITOS (Gliócitos reativos), que chegam pela corrente sanguínea: • Não produzem moléculas promotoras do crescimento • Liberam moleculas que inibem a regeneração • OLIGODENDRÓCITOS sintetizam proteínas incorporadas à rnielina central, que apresentam forte efeito inibitório do crescimento axônico: • São conhecidas como proteínas Nogo, (acróstico da expressão inglesa no go, isto é, proibido avançar). • Ao se ligar a moléculas específicas posicionadas na membrana dos cotos proximais, disparam uma cadeia de reações intracelulares que terminam por imobilizar os cones de crescimento • ASTRÓCITOS produzem proteoglicanos, glicoproteínas com forte ação antirregenerativa. • Formam uma verdadeira cicatriz que dificulta mecânica e quimicamente a progressão dos axônios regenerantes. PLASTICIDADE AXÔNICA PLASTICIDADE AXÔNICA • Como vimos, a REGENERAÇÃO AXÔNICA → resultado de uma ação drástica do ambiente (uma lesão) sobre um axônio → se caracteriza pelo e crescimento do coto proximal do mesmo axônio • As ações do ambiente podem provocar respostas plásticas de axônios não diretamente atingidos e podem ocorrer após ações sutis do ambiente: denominada PLASTICIDADE AXÔNICA • O grau de plasticidade depende da idade do animal = reflete o grau de desenvolvimento que o SN atravessa. • Deve se determinar o Período Crítico: • A plasticidade que ocorre no Período Crítico é chamada de PLASTICIDADE AXÔNICA ONTOGENÉTICA TÁLAMO Este sistema é dotado de plasticidade ontogenética, porque se molda sob a influência do ambiente luminoso durante o desenvolvimento. As bandas de dominância ocular podem ser demonstradas através de experimentos que consistem na injeção de substâncias rastreadoras (fluxo axoplasmático anterógrado) no olho ou no tálamo de gatos ou macacos. Essas substâncias são interiorizadas pelas células da retina ou do tálamo → acabam chegando ao córtex visual. As bandas já estão presentes, embora ainda não tão nitidas quanto nos adultos. As colunas brancas: são as regiões que apresentam o rastreador, transportado pelos axônios que veiculam as informações provenientes de um olho, e que se originam dos neurônios talâmicos correspondentes. As colunas escuras, não marcadas: indicam as regiões correspondentes ao olho oposto. Animais muito jovens, antes da abertura dos olhos Animais adultos CONCLUSÃO O desenvolvimento das bandas de dominância ocular está submetido à plasticidade ontogenética, porque é controlado pelo ambiente visual no qual se desenvolvem os animais. Em termos ainda gerais: ocorre plasticidade axônica ontogenética sempre que o ambiente influenciar de um modo ou de outro o desenvolvimento normal. Permanece um problema: Não foram capazes de demonstrar diretamente alterações na morfologia dos axônios individuais sob influência do ambiente visual. Animais recém-nascidos com sutura permanente nas pálpebras de um dos olhos logo após o nascimento, até a maturidade. Essa intervenção experimental - mimetiza o que ocorre com crianças portadoras de catarata congênita - faz com que o animal cresça sem acesso ao mundo visual através do olho suturado, a não ser por alguma luminosidade que atravessa as pálpebrar fechadas. A conclusão agora pôde ser mais firme: os animais recém-nascidos estão submetidos à plasticidade axônica ontogenética, uma vez que seus axônios se desenvolvem sob controle e influência do ambiente. PERÍODO CRÍTICO PERIODO CRÍTICO No homem, desde o século 18 vários relatos e observações já apontavam a existência de uma “fase na infância durante a qual a influência do ambiente é determinante para o estabelecimento das características fisiológicas e psicológicas do indivíduo”. Casos de "meninos selvagens", crianças encontradas na selva em companhia de animais, aparentemente sem contato prévio com outros seres humanos: • Há pelo menos 40 desses casos bem descritos. • Ressalta entre eles um traço comum: quanto mais tarde as crianças são encontradas e submetidas ao ensino de uma língua e outras habilidades cognitivas, pior o seu desempenho. • Para o desenvolvimento da linguagem humana, o período crítico parece estenderse até a adolescência. PERIODO CRÍTICO: estudos experimentais Etologistas e psicólogos estudaram o desenvolvimento de certos comportamentos sociais em aves e em primatas: • Conclusão: alguns deles dependem de experiências interativas com outros membros da mesma espécie, durante o período crítico. • O canto de algumas aves só se estabelece se durante a in!ancia elas o ouvirem de outras aves adultas da mesma espécie. • O reconhecimento de indivíduos da mesma espécie e um adequado comportamento social, tanto em aves como em macacos, só se estabelecem se os animais puderem interagir com suas mães logo após o nascimento, sejam elas naturais ou adotivas. O PERÍODO CRÍTICO do desenvolvimento dos circuitos binoculares, por exemplo, pôde ser determinado para o gato (entre o nascimento e o 42 mês de vida), para o macaco (até o 2º ano de vida do animal) e para o homem (até 10 anos de idade). PLASTICIDADE AXÔNICA DE ADULTOS: BROTAMENTO COLATERAL ? Experimento com Macacos: 1. Certo número de macacos adultos havia sido submetido a uma cirurgia experimental em que as raízes dorsais da medula correspondentes aos membros superiores eram cortadas. 2. Biotérios da instituição quando estes foram invadidos por militantes radicais de movimentos de proteção aos direitos dos animais, que depois conseguiram a sustação judicial da pesquisa sob o argumento de maus-tratos infl igidos aos macacos. 3. A nova pesquisa foi dirigida pelo fisiologista Michael Merzenich, e consistiu em verificar se a região do córtex cerebral que normalmente receberia as informações provenientes do braço mantinha suas características funcionais,apesar da desnervação sensorial feita 1 O anos antes. CONCLUSÃO: O grupo de pesquisadores surpreendeu-se com a descoberta de que a região cerebral que representava o braço passara a conter uma nova representação da face. A face dos macacos, então, havia adquirido uma dupla área de representação no córtex cerebral. As conclusões de Merzenich foram as seguintes: 1. Os circuitos axônicos que normalmente veiculariam informações do braço não foram capazes de regenerar após a interrupção das raízes dorsais correspondentes. 2. Os circuitos axônicos que veiculavam informações da face - não atingidos diretamente pela cirurgia – apresentaram plasticidade, passando a ocupar as regiões cerebrais anteriormente dedicadas ao braço; e portanto. 3. O cérebro de animais adultos seria dotado de plasticidade axônica. PLASTICIDADE AXÔNICA DE ADULTOS: BROTAMENTO COLATERAL ? EXPLICAÇÕES: Brotamento colateral, ou seja, o aparecimento de ramos colaterais nos axônios das regiões não atingidas pela amputação, e o seu crescimento em direção às regiões cerebrais "vazias", Plasticidade axônica no cérebro de indivíduos adultos - psicólogo de que anteriormente recebiam informações das regiões amputadas. origem indiana Vilayanur Ramachandran - ao estudar a fisiologia sensorial de indivíduos com membros amputados. Explicação alternativa: as regiões corporais vizinhas poderiam ser normalmente interconectadas, essas conexões SÍNDROME DO MEMBROsendo FANTASMA mantidas "silenciosas" sob constante inibição. Com o desaparecimento dos circuitos axônicos do membro amputado, a inibição seria removida, e as conexões antes silenciosas entrariam em funcionamento. PLASTICIDADE DENDRÍTICA • Os dendritos são candidatos potenciais à ocorrência de plasticidade estrutural, morfológica, pois atuam como antenas receptoras das informações transmitidas através das sinapses de um neurónio a outro. • Existem evidências de que essa suposição seja verdadeira. • Apenas as espinhas dendríticas são sujeitas à plasticidade nos animais adultos, enquanto nos animais em desenvolvimento tanto elas quanto os próprios troncos dendríticos podem ser modificados por ação do ambiente. •. Desenvolvimento dendrítico = depende de um plano geral codificado no genoma do neurónio: • Quando se separam neurónios imaturos do tecido nervoso embrionário, dissociandoos uns dos outros e cultivando-os no laboratório: • Eles são capazes de desenvolver suas árvores dendríticas de modo semelhante ao normal. • Ex. Genoma determinar se o neurônio será piramidal. • O ambiente é capaz de interferir sobre esse plano geral sem modificar a natureza piramidal do neurónio. • No entanto, pode determinar alterações no número, no comprimento e na disposição espacial das ramificações dendríticas, bem como no número e na densidade de espinhas. EXPERIMENTO • Há evidências de que isso é possível: • Experimentos do neurocientista brasileiro Rafael Linden e seu colega inglês Hugh Perry. 1. Eles fizeram pequenos cortes com bisturi na retina de ratos recém-nascidos, interrompendo os axônios de algumas células ganglionares 2. Eles criaram uma região totalmente desprovida dessas células, mas apresentando outras cujos axônios não foram atingidos 3. Depois de algumas semanas, estudaram a morfologia dendrítica das células sobreviventes das margens dessa região, comparando-a com a dos neurônios de regiões distantes da mesma retina. 4. Os neurônios ganglionares distantes apresentavam dendritos que emergiam do soma em todas as direções, mas os neurônios das margens da lesão apresentavam uma árvore dendrítica deformada, com mais dendritos dirigidos para a região lesada do que para o lado não lesado. 5. Concluíram: a) que deveria haver normalmente uma competição entre os dendritos pelos aferentes de outras células retinianas, uniformemente distribuídos em tomo do corpo celular. b) Deveria haver uma substância trófica liberada pelas fibras aferentes: BDNF (Fator Neurotrófico Derivado do Cérebro) = FATOR MODULADOR DA MORFOLOGIA DENDRÍTICA PLASTICIDADE DENDRÍTICA EM ADULTOS • Em diferentes espécies de animais já se encontrou aumento do comprimento e do número de ramificações dendríticas, com concomitante aumento do número de sinapses, em adultos submetidos a ambientes enriquecidos. • Há relatos de correlação entre o nível educacional e a complexidade dendrítica na área de Wernicke. • Há relatos de maior complexidade dendrítica na região cortical de representação dos dedos da mão, em profissionais que os usam muito, como digitadores. • O que se pode concluir é que a morfologia dendrítica básica dos neurónios é fixada durante o desenvolvimento, e que uma vez consolidada, ela aceita influência limitada do ambiente, preferencialmente sobre as ramificações mais finas e terminais = ESPINHAS DENDRÍTICAS ESPINHAS DENDRÍTICAS São pequenas protrusões que emergem dos troncos dendríticos, formadas por um talo fino com extremidade esferoide A principal descoberta dos últimos anos foi que as espinhas dendríticas não são estáticas, mas sim altamente instáveis e móveis. Ao longo de minutos, algumas espinhas dendríticas aparecem em um pequeno campo de visualização ao microscópio, e outras desaparecem. PLASTICIDADE SINÁPTICA Eric Richard Kandel Nascido em Viena, 7 de Novembro de 1929. É um neurocientista austríaco, naturalizado estadunidense. Kandel formou-se médico, especializou-se em psiquiatria, mas abandonou a clínica para se dedicar às neurociências. ATIVIDADES: Campo de atuação: NEUROCIÊNCIAS Prêmio(s): Prêmio Albert Lasker de Pesquisa Médica Básica (1983), Medalha Nacional de Ciências (1988), Prêmio Wolf de Medicina (1999), Nobel de Fisiologia/Medicina (2000) Aplysia californica • Animal invertebrado • Uma espécie de caramujo marinho sem concha, • Muito abundante nas costas do Pacífico Norte • Foi amplamente uti lizado para estudos de plasticidade sináptica Por que a aplísia? Como todos os invertebrados, esse caramujo possui um sistema nervoso simples, com apenas cerca de 20.000 neurônios e um repertório comportamental reduzido. FORMAS DE APRENDIZAGEM: Operações de memória que o SN deve executar HABITUAÇÃO (Aprendizagem não-associativa) SENSIBILIZAÇÃO (Aprendizagem não-associativa) 1. HABITUAÇÃO: Quando o estímulo é muito fraco, o reflexo ocorre nas primeiras vezes em que é aplicado, mas com a repetição a contração diminui e o reflexo acaba desaparecendo. 2. SENSIBILIZAÇÃO: Quando se apresenta um estímulo muito forte uma vez, provocando a imediata retirada da parte estimulada, e logo depois se toca de leve a mesma ou outra região, ocorre uma contração ainda mais forte que a anterior. 3. SENSIBILIZAÇÃO DURADOURA: Quando o estímulo forte é aplicado várias vezes, a Sensibilização prolonga-se no tempo, tomando-se duradoura. O animal passa semanas reagindo de forma intensa a estímulos fracos, como se estivesse lembrando do estímulo nocivo Aplicado anteriormente. HABITUAÇÃO SENSIBILIZAÇÃO PLASTICIDADE SOMÁTICA A NEUROGÊNESE COMO MECANISMO NEUROPLÁSTICO A primeira década deste século tem apresentado mudanças radicais nos conceitos fundamentais da Neurociência. Uma delas atingiu em cheio a ideia prevalente no século passado, de que em nenhuma hipótese ocorreria neurogênese no sistema nervoso de mamíferos adultos. Apareceram fortes evidências de que um pequeno estoque de células-tronco permanece ativo em certas regiões como O dogma da não proliferação dos neurônios adultos foi pela primeira vez abalado quando se verificou que os epitélios sensoriais especializados retêm alguma atividade proliferativa, ou pelo menos mantêm células precursoras neurais capazes de se diferenciar em neurônios maduros. É o caso da mucosa olfatória, a estrutura celular do nariz responsável pela captação das moléculas odoríferas; da membrana basilar, o epitélio auditivo situado no ouvido interno, que capta as ondas sonoras; e da membrana otolítica, um epitélio semelhante ao auditivo, mas que nos dá o "sentido" do equilíbrio corporal, percebendo as alterações de posição da cabeça em relação ao solo. Essas regiões contêm neurônios receptores altamente especializados, células gliais e outras células de apoio • Mais difícil de explicar, entretanto, foi a descoberta surpreendente de que mesmo em regiões situadas dentro do encéfalo existem ilhas proliferativas que se mantêm ativas depois de o desenvolvimento ontogenético terminar. • Trata-se de regiões situadas na parede rostral dos ventrículos laterais, que geram neurônios para o bulbo olfatório\ e em uma camada celular do giro denteado do hipocampo, além de outras regiões que demandam confirmação, como o hipotálamo\ a retina, a substância negraA e a amígdalaA. • A neurogênese que ocorre no hipocampo e na zona sube·pendimária do telencéfalo explica-se pela permanência, nessas regiões, de uma população permanente de célulastronco. • Células-tronco são aquelas capazes de autorregeneração e multipotencialidade, isto é, capazes de ciciar continuamente gerando outras células-tronco e tipos celulares maduros diversos. Há células-tronco em graus diversos, desde aquelas totipotentes, capazes de gerar qualquer tipo .celular do organismo e que existem apenas nos embriões mais precoces, até aquelas multipotentes mais restritas, capazes de gerar diversos tipos celulares, mas dentro de um mesmo sistema orgânico. • Este é o caso das células-tronco situadas no encéfalo, que se supõe sejam capazes de gerar neurônios e gliócitos de tipos diferentes. A PLASTICIDADE COMPENSA ? FIM